Der "große, rauchende Drache" der Quantenphysik neu aufgerollt

10. März 2016, 18:07
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Physiker um Anton Zeilinger haben Geschichte der sogenannten "delayed-choice"-Experimente zusammengefasst und neu ausgewertet

Wien – Der US-Physiker John Archibald Wheeler (1911-2008) hat die fundamentale Unbestimmtheit in der Quantenphysik mit einem "großen, rauchenden Drachen" verglichen. Im "delayed choice" genannten Gedankenexperiment fragte er sich, wann sich Photonen entscheiden, ob sie Welle oder Teilchen sind. Die Geschichte dieser "delayed-choice"-Versuche hat nun der Physiker Anton Zeilinger mit Kollegen ausgewertet.

Eines der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik ist der Welle-Teilchen-Dualismus. Ein Lichtteilchen (Photon) kann sich sowohl als Teilchen, als auch als Welle verhalten. Das kann man im Doppelspaltexperiment gut sehen: Schickt man Licht durch zwei enge Spalten, so entstehen auf einem Schirm dahinter ein Muster aus hellen und dunklen Streifen. Weil sich die Photonen wie eine Welle verhalten, konnten die Lichtwellen einander in den hellen Bereichen verstärken, in den dunklen Arealen einander auslöschen oder abschwächen. Man spricht dabei auch von Interferenz, bei den Streifen von Interferenzmustern.

Verspätete Entscheidung

So funktioniert das nur, wenn man nicht weiß, welchen Weg die einzelnen Photonen genommen haben – den linken oder den rechten Spalt. Platziert man Detektoren an die Spalten und schaut nach, welchen Weg die Photonen nehmen, verschwindet augenblicklich das Interferenzmuster, sie verhalten sich wie Teilchen. Diese Dualität gibt es nicht nur bei Photonen, sondern selbst bei massiven Teilchen wie Molekülen aus Dutzenden Atomen.

Wellen- oder Teilchen-Dasein offenbart sich also, je nachdem, welche Eigenschaft in einem Experiment gemessen wird. Für dieses Phänomen hat Wheeler das Bild des "großen, rauchenden Drachen" geprägt. Von diesem sieht man nur den Schwanz in Form der Quelle der Teilchen und das Maul in Form der Messergebnisse, was dazwischen liegt, ist vom Rauch verborgen. Erst die Messung bestimmt das Phänomen.

Wheeler hat in seinem berühmten Gedankenexperiment gezeigt, dass gemäß der Quantenmechanik die Entscheidung, ob das Photon Wellen- oder Teilchencharakter zeigt, sogar erst getroffen werden kann, nachdem es die Wege bereits durchlaufen hat – also eine "delayed choice", eine verspätete Entscheidung. In einer später realisierten Versuchsanordnung – dem sogenannten "Quantenradierer" – wurde gezeigt, dass man durch eine bestimmte Form der Messung die Weginformation regelrecht ausradieren und damit im Nachhinein entscheiden kann, ob sich ein Quantenobjekt wie eine Welle oder wie ein Teilchen verhält.

Anwendungsrelevanz

In zahllosen Experimenten wurden in den vergangenen Jahrzehnten diese Phänomene experimentell überprüft und der Welle-Teilchen-Dualismus untermauert. Der Wiener Experimentalphysiker Anton Zeilinger vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien, Xiao-song Ma von der Nanjing University (China) und der österreichische Physiker Johannes Kofler vom Max Planck-Institut für Quantenoptik in München haben nun im Fachjournal "Reviews of Modern Physics" die gesamte Geschichte der "delayed choice"-Experimente zusammengefasst und ausgewertet.

Für Zeilinger konfrontieren diese Experimente die Forscher nicht nur mit Grundsatzfragen der Quantenphysik: "Sie haben auch für zukünftige innovative Anwendungen große Bedeutung, etwa in der Quantenkryptographie oder der Weiterentwicklung des Quantencomputers", so der Physiker.

So haben Zeilinger und Xiao-song Ma vor einigen Jahren in einem "delayed choice"-Experiment mit verschränkten Photonenpaaren demonstriert, dass in der Quantenwelt Handlungen Einfluss auf vergangene Ereignisse haben können. Letztlich könnte das bedeuten, dass ein Quantencomputer an einem Problem zu rechnen beginnen kann, dessen Input erst in der Zukunft existiert. (APA, 10.3.2016)

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